灌区监控系统遥测终端装置设计

齐笑笑，郭佑民

（1.兰州交通大学 机电技术研究所，兰州 730070；2.甘肃省物流及运输装备信息化工程技术研究中心，兰州 730070；3.甘肃省物流与信息技术研究院，兰州 730070）

0 引言

我国是农业大国，农业用水占水资源总量的73%，大中型灌区占全国有效灌溉面积的44.5%。灌区灌溉在我国水资源浪费比较严重，农业灌溉用水利用率仅40%左右，不及发达国家的一半水平[1]。发展节水农业，提高水资源的利用率，不仅能缓解我国水资源紧缺的现状，而且能促进水资源持续利用和农业可持续发展。遥测终端装置能够有效对灌区气象数据及环境数据进行远程监测，通过对灌区采集数据信息的分析和处理，合理调度水资源，可以提高水资源利用率。目前大部分灌区还是靠人为经验控制闸门放水，根据天气降雨情况和农作物生长需求，以人们长期以往的经验放水，这种控制闸门放水的方式最传统，最简单，同样也最浪费水资源；少数灌区采用有线通信方式的遥测终端装置，较单纯人为经验判断有一定提高，但是，监控中心一般距灌区现场较远，有线通信方式布线繁琐；扩展能力较差，长期工作通信电缆损坏或线路接触不良，将导致数据传输的可靠性下降，出现误报的现象。极少数应用于市场能实现无线通信的数据采集装置，存在采集数据单一，内部模块技术应用落后的现象。

随着计算机技术、电子技术的快速发展，灌区遥测终端装置也在朝着智能化，小型化、自动化和高速化方向发展[2]。目前嵌入式技术具有功耗更低，可靠性更高，性能价格比更高，体积更小等特点[3]。GPRS技术就是通用分组无线业务技术，该技术具有随时查询、连接时间短、实时性强、设备成本低、维护费用小、收费合理、价格便宜、适合不定期、长时间的数据传输等特点，现阶段GPRS技术的发展，成本更低，连接时间更短，传输速率更快等优点[4]。本文设计的遥测终端装置采用先进嵌入式和GPRS技术，集多个数据采集接口、显示、存储和远程通信等功能与一体的智能遥测数字终端设备。遥测终端装置在灌区多点布置，有效的对现场数据信息进行采集与传输。监控中心分析和处理接收的数据，科学合理的分配水资源，提高水资源利用率。数据采集系统整体结构图如图1所示。

图1 数据采集系统整体结构图

1 装置总体设计

本遥测终端装置包含中心控制器、传感器模块、图像模块、人机交互模块，存储模块、电源模块以及GPRS模块组成。遥测终端装置总体结构图如图2所示。遥测终端装置实物外观整体图如图3所示，遥测终端装置内部实物连接图如图4所示。中心控制器选用STM32系列STM32F103RCT6芯片，该芯片满足高性能、低功耗、实时应用以及价格便宜等优点[5,6]。传感器模块包含液位传感器、雨量传感器、流量传感器、温湿度传感器等。本装置通过传感器模块和监控摄像头采集灌区现场的数据信息和图片信息，采集信息可在遥测终端装置上显示和存储，在显示和存储的同时通过GPRS模块发送给室内中心站，中心站分析以及处理遥测终端装置发送的信息，合理调度水资源，起到节约水资源的目的。

图2 遥测终端装置总体结构图

图3 遥测终端装置外观整体图

图4 遥测终端装置内部实物连接图

2 硬件设计

2.1 传感器模块

液位传感器采用的CYW11通用型投入式液位变送器，该液位变送器用进口扩散硅压力敏感元件和先进的膜片隔离技术；电缆连接，直接投入现场，安装简便；放大电路采用进口的美国BB集成芯片，宽电压供电；防堵塞、防结垢；防雷击、截频干扰设计、抗干扰能力强；接线反向和过压保护、限流保护；稳定性好、响应速度快；该水位计带有485接口，而中心控制器stm32单片机的通信信号为TTL信号，两者之间的通信需要通过RS485模块进行转换连接。液位计主要采集水库和引流的明渠水位数据，水库和明渠的水位应时刻保持在合适的范围，对已有水资源的充分了解、才能够合理以及有效支配水资源。雨量传感器采用的JD-05型翻斗式雨量传感器是一种水文、气象仪器，用以测量自然界降雨量，同时将降雨量转换为以开关量形式表示的数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示等的需要，该雨量计通过翻斗的每次翻转向stm32单片机发送一个开关量的脉冲信号，翻斗每次反转的平均雨量为0.5mm，stm32单片机只需连接一个I/O便可接收脉冲信号，从而计算累计雨量。温湿度传感器采用的型号为RS-WS-N01-1A-0，该温湿度传感器RS485通信接口，通信稳定，10-30V宽电压范围供电，温度测量精度±0.5℃，湿度测量精度±3%RH。雨量和温湿度灌区气象数据的采集能够有效监测农作物缺水情况，通过采集的实际数据合理分配水资源。流量传感器采用TS-6000型超声波明渠流量传感器，安装方便，适合多种标准量水堰，精确度高，该流量计的通信接口为RS485接口。不论是水库水位超限还是农作物干旱，接收中心站指令放水都需严格控制，通过流量计采集数据已达到精准放水的目的。传感器与中心控制器的电路连接图如图5所示。

图5 遥测终端装置总体硬件电路图

2.2 人机交互模块

人机交互模块采用3.5寸USART HMI组态屏，人机界面的制作全部由上位机软件完成，该组态屏的Rx、Tx连接端口与STM32串口连接实现通信，开发效率高，支持串口下载和SD卡下载，支持PC端模拟调试，支持模拟器和设备同步调试，FLASH空间16MB，供电电压3.3V。USART HMI组态屏主要功能是能够实时显示传感器采集的数据，供巡检人员观察灌区现场数据情况。

2.3 监控摄像头

监控摄像头采用ALIENTEK OV7670摄像头模块，OV7670是一颗1/6的CMOS VGA图像传感器，该传感器体积小，工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能，OV7670的特点有：高灵敏、低电压适合嵌入式应用；标准的SCCB接口，兼容IIC接口；支持闪光灯；支持图像缩放；支持自动曝光控制等优点[7]。STM32控制OV7670摄像头定时拍摄现场图片，图片保存在存储模块，保存的现场图片定时通过GPRS模块发送给中心站。中心站可通过远程接收的图片观测灌区渠道和水库情况，如有工作异常或特殊情况，中心站可及时采取相应措施，保证用水安全。OV7670摄像头模块与STM32电路连接图如图5所示。

2.4 GPRS模块

数据传输模块采用四频GSM/GPRS模块，型号为ATK-SIM800C，基本动能：拨号、接听、短信和GPRS通信；控制方式：AT指令；GPRS：可PPP连接，内嵌TCP/IP协议；扩展功能：彩信/DFDT/TTS/蓝牙；提供TTL、RS232、RS485三种通讯接口，用户可根据实际要求选择使用的通讯端口[8]。它是一款GPRS无线透明传输终端设备，可用于工业、农业、渔业、环境等实时数据远程监测，方便的入网方式促使其具有广泛的应用前景[8]。SIM800C的主要功能是实现灌区现场传感器采集数据和图片信息的定时发送以及接收中心站指令。采集数据超限时，SIM800C向中心站发送超限指令的同时能以短信的方式将超限信息发送到工作人员手机上，以防工作人员临时离开工作岗位不能及时发现超限信息；SIM800C还应有掉线重新连接的功能，保证其工作可靠性。SIM800C与STM32电路连接图如图5所示。

2.5 存储模块

存储模块用于将采集到的数据保存在外部存储设备中，由于STM32F103RCT6芯片没有自带文件系统[9]，所以，本系统的存储模块采用了CH376芯片来外接更大的存储设备，将采集到的数据在本地备份，必要时便于提取数据。CH376支持USB设备方式和USB主机方式，并且内置了USB通讯协议的基本固件，CH376支持三种通讯接口：8位并口、SPI接口或者异步串口，系统采用了SPI接口与处理器进行通信，CH376的系统原理图如图6所示，CH376与STM32的硬件连接图如图5所示。CH376芯片主要保存传感器采集的数据信息和OV7670摄像头拍摄的图片信息作为本地备份，GPRS模块掉线或出现其他异常情况上位机没有及时收到灌区数据和图片信息，异常恢复后可将本地存储信息一次性打包发送。

图6 CH376系统原理图

3 软件设计

3.1 传感器采集程序设计

系统的软件部分采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32开发板，因此选用了Keil uVision3 作为集成开发调试环境。传感器的数据采集程序流程图如图7所示。程序开始运行后首先进行各个模块的初始化，包括STM32开发板的初始化、传感器模块的初始化以及GPRS模块的初始化等。其次，连接GPRS模块，确保GPRS模块与上位机通信连接成功。连接成功之后，传感器进行数据的采集，将采集的数据通过GPRS模块每间隔一分钟发送给中心站。当采集到雨量数据时，GPRS模块根据雨量大小自动调节发送数据时间为10秒或30秒。传感器采集程序流程图如图7所示。

图7 传感器采集程序流程图

3.2 存储模块程序设计

CH376作为现场数据的存储，存储程序采用keil软件开发，编写程序在stm32微处理器中执行。存储程序运行开始初始化CH376，检查U盘连接和准备状态，U盘连接以及准备就绪后，查询剩余空间。U盘存储空间足够的情况下，创建文件，采集的数据依次存储到文件中；U盘存储空间不够的情况下，清除最早存储的数据，再将采集的新数据存储进去。在U盘有限的内存空间下，一直保证一段时间的数据循环存储，中心站出现异常情况没有及时收到数据时，可向CH376发送调数据命令。CH376创建文件流程图如图8所示。

图8 CH376创建文件流程图

4 功能测试

完成遥测终端装置的硬件搭建以及软件程序的设计后，对装置进行测试。实验室测试选用两个传感器：雨量计与液位计，遥测终端装置连接传感器，搭建实验室测试环境。功能测试实物图连接图如图9所示。室外测试选用四个传感器：雨量计、液位计、流量计和温湿度传感器，实测部分数据如表1所示。

5 结论

本文主要针对灌区的自动化程度不高以及合理分配和调度水资源的问题，设计了一种基于stm32和GPRS的灌区遥测终端装置。通过stm32控制传感器采集重要数据，实现传感器多扩展口连接，采集灌区数据可现场显示观测以及本地存储，采集数据同时GPRS实现远程数据传输，中心站得到有效的数据，经中心站处理与分析，有效调度和分配水资源。

表1 部分采集数据

图9 功能测试实物连接图